碳纤维加固混凝土梁技术的对比研究

尚 思 同

(杭州市交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006)

随着城市化进程的推进，车辆拥挤严重，交通量迅猛增加，桥梁活载增加，同时在外界环境因素侵蚀下桥梁老化严重，桥梁通行能力令人堪忧，整体承载力普遍下降，桥梁病害情况纷繁复杂，因此对于桥梁加固维修技术的要求更高。针对我国桥梁上述现状，大量学者和科研机构对桥梁维修加固技术展开深入研究，并取得了丰富的研究成果，但桥梁加固并非只是在桥梁既有结构受到损伤时的修补手段，而是一套系统的需要丰富经验支持的理论；加固桥梁一般要考虑到气候、地质、损伤情况等因素，同时也要考虑到加固后桥梁的整体承载力、耐久性、稳定性、合理性。传统的加固技术比如预应力加固法、增大截面加固法、外包混凝土加固法等，加固工程量大，施工过程复杂冗长，维修加固成本较高，部分加固方法加固效果差还需要反复维护，进一步提升了成本。

从20世纪中期，我国已经开始着手桥梁加固这一领域，虽然早期桥梁工程师对于桥梁的加固具有一定重视，也建立了一定的桥梁加固理念，但随着桥梁技术的推进和新旧桥的交替发展，加固技术的发展也刻不容缓，大量优质技术、新材料、新工艺催生了很多优良加固手段。

碳纤维复合材料由于其抗拉强度超高，层状结构稳定，质量轻，耐腐蚀性好，施工方法简便，被广泛用于制作各类高强材料，随着CFRP的应用范围的增加，CFRP被应用于加固领域，2003年我国出台了第一部CFRP技术规程《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》[1]，碳纤维加固技术更加标准化、规范化，同时由于其施工工艺较为简单、施工周期短、成型快、加固效果好等特点，碳纤维加固成为很多工程的优先技术方案。

1 FRP材料的特点

FRP材料具有良好的物理性能[2]，具有良好的耐腐性、耐疲劳性能，轻质高强，良好绝缘体，热传导率低。FRP材料是较为理想的线弹性材料，制作成型以后力学性能稳定，其抗拉强度超过钢材数倍但其密度仅为钢材的1/4左右，且在未达到抗拉强度时几乎不发生塑性形变，大大降低了更换维修的费用。表1为在实际加固工程中常用的纤维增强材料的力学性能[3]。

CFRP与AFRP对比强度相对高，韧性比较差。在三种材料中碳纤维相对比重低，弹性模量高，延伸率低变形小，更适合混凝土结构加固使用。

表1 纤维增强材料的力学性能

2 碳纤维加固技术介绍

2.1 外贴碳纤维加固技术

外贴法是将加固梁体打磨平整，对于有空洞孔洞部分要用砂浆修补，用化学药剂丙酮或酒精清洗表面后，把CFRP材料表面磨砂粗糙化涂抹上胶体材料粘贴在梁体上(见图1)。

2.2 碳纤维嵌入式加固技术

嵌入式加固法需要在混凝土保护层区域沿嵌入方向切割嵌入槽，全部加固过程在梁体内完成，纤维与梁体接触面增大可以近似看作二者共同受力的整体力系，加固效果更好，纤维不易剥出(见图2)。

2.3 碳纤维布包裹加固技术

碳纤维布加固需要在混凝土受损表面涂抹加固胶将纤维布沿截面包裹在结构外侧，由于碳纤维是单向承拉材料，碳纤维布包裹加固需要沿结构受拉方向，包裹可以选择竖向或斜向粘贴，也可以与其他加固方法结合使用(见图3)。

3 加固技术对比分析

3.1 技术要求对比

根据GB/T 3354定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法[4]规定对于纤维材料的试验可以避免打磨表面和找平的工作。碳纤维加固技术较为依赖粘合剂粘结性能和粘贴质量，常用的粘合剂为环氧树脂，环氧树脂主固剂A∶B按1∶2比例调配，用吹风机热吹5 min，保证环氧树脂可以充分拌和，值得注意的是每次调配结构胶要在30 min内使用完，环氧树脂胶和结构粘结达到预定试验要求需要一定的时间，一般取7 d为佳。

碳纤维嵌入式加固与外贴法施工不同的是嵌入式加固需要在混凝土保护层区域沿嵌入方向切割嵌入槽，将槽壁内的石灰和废渣清理出来，倒入环氧树脂于槽内灌满槽的一半即可，再将CFRP没入用胶带固定位置倒满整个槽体抹平，待胶层凝固加固完成。

碳纤维布包裹加固相比于外贴法不同的是碳纤维布的排布方式和受力的位置，一般来说碳纤维布是在混凝土受力后才受力的，单向受力的特性使得碳纤维布在加固时相比于外贴加固更有局限性。从使用的角度来说，碳纤维布可以选择多层加固即在包裹碳纤维布外侧可以再次包裹加固，为了保证加固性能要保证加固层层间胶的渗透性和粘结性好，同时对于搭接长度要求在100 mm以上[5]。

3.2 技术优势对比

CFRP外贴法与其他加固方法相比的优势：

1)CFRP材料强度较高，质量相对较轻，方便运输和安装，降低结构承载负担。

2)应用范围广，可塑性强，可以制作成各类型材贴合不同面层，适用于各种建筑，构筑物，桥梁(主体或部件)且具有较好的加固效果。

3)加固效率高，对于加固梁体挠度的降低和承载能力的提高幅度较大[6]，且加固质量更可靠，保护和安全性也较高。

4)CFRP材料施工工艺简单，不需要复杂的设备，施工周期短，成型快。

CFRP嵌入式加固法相比于CFRP外贴法拥有很多优点,总结如下：

1)CFRP材料包裹在胶体内，隔绝空气、水、腐蚀性物质，易燃物质的接触，减少耐火性不好的弊端，有效的保护CFRP材料的工作性能。

2)CFRP材料与胶体和混凝土接触面积更大，传力更加协调，CFRP材料的利用率变高，可以充分发挥材料性能。

3)CFRP材料嵌入在结构中比外贴更不易脱落和剥出，承载能力提升幅度更大。

碳纤维布包裹加固技术的优势[7]:

1)CFRP具有较好的柔韧性可以使用的结构范围更广，根据现场的要求进行修补和裁剪灵活性强。

2)碳纤维布相比于板材结构较薄可以密实的粘贴，包裹范围大可以有效保护内部混凝土不受外部侵蚀。

3)碳纤维布单向抗拉强度相比于其他材料可以做到更高，对于荷载集中位置可以提供更多的保护，可以多层张贴，粘贴加固桥梁构件能大幅度提高梁板的抗弯、抗剪性能，并能显著提高桥梁构件刚度及延性(如抑制开裂、降低挠度等)。

4 CFRP加固技术需要注意的问题

1)CFRP加固技术对于施工质量有较多的要求，加固胶粘贴效果和使用有效期、养护方法、现场的环境、质量验收[8]、粘贴位置的选择、加固后加固的安全性评估，需要有一整套施工经验的施工队和设计咨询辅助。

2)CFRP材料的短板。CFRP材料大多为单向受力材料，沿纤维方向强度较高，垂直于纤维方向的力学性能较为逊色，加固设计需要综合考虑这一问题，同时材料强度并不能完全发挥。实际工程中碳纤维一般可以利用的强度范围在30%～67%之间，由于没有屈服点一旦破坏结构立刻失稳。

3)碳纤维材料含碳量较高耐火性差，南方高热地区的建筑和外围尽量不要使用，环氧树脂在高温下也会出现软化改变加固的抗性使得加固失效。

4)CFRP材料和所有的FRP一样其使用的灵活性高同时也很依赖于出厂质量(纤维堆叠方向、纤维含量、层间强度、尺寸等)，也取决于相配套的粘结材料性能。加固结构往往对加固方式选取有一定影响，例如碳纤维布广泛应用于大跨度立交桥，板材加固适合于中小跨径装配式桥梁和民用建筑等等。

5)CFRP材料大部分是作为补强加固出现，结构出现了一定病害和破损(结构震动，裂缝区荷载集中等等)，对CFRP材料的耐久性和抗疲劳性能有显著影响。

5 结语

高速化交通产业使得公路桥梁发展进程得到快速提升，安全和耐久性是对公路桥梁乃至交通行业的基本要求，加固和维修是现阶段交通行业发展的必由之路，如何用新材料、新技术降低养护费用投入，节约材料，提高加固效率是我们真正要解决的问题[9]。新技术必然存在优势和短板，可行性也有待评估，需要设计、施工、科研、咨询和技术管理的通力合作以及推进，实现产、学、研一体化发展才是对于未来加固的良性循环。